Las baterías de iones de litio son reconocidas por su alta densidad de energía en todo, desde los teléfonos móviles hasta las computadoras portátiles y los vehículos eléctricos, pero a medida que la necesidad de almacenamiento de energía a escala de la red y otras aplicaciones se hace más apremiante, los investigadores han buscado alternativas al litio menos costosas y más fácilmente disponibles.
Las baterías que usan metales multivalentes más abundantes podrían revolucionar el almacenamiento de energía.
Los investigadores revisan el estado actual de la investigación sobre baterías de iones metálicos multivalentes y proporcionan una hoja de ruta para el trabajo futuro en la revista Nature Energy, informando que los principales candidatos – que utilizan magnesio, calcio, zinc y aluminio – son todos muy prometedores, pero también tienen grandes desafíos para satisfacer las demandas prácticas.
“En esta revisión, aclaramos las fortalezas clave, así como los conceptos erróneos comunes de las baterías multivalentes a base de metal”, dijo Yan Yao, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Houston en Cullen College y coautor correspondiente del papel.
“Las baterías de iones metálicos multivalentes se ven mejor como soluciones alternativas para el almacenamiento de energía a gran escala que como un competidor directo de las baterías a base de litio en la carrera hacia objetivos de densidad energética cada vez mayores”, agrega Yan Yao.
Los investigadores también examinaron el comportamiento de crecimiento de los ánodos metálicos. Si bien el magnesio es un material prometedor, Yao dijo que es importante tener en cuenta que no está garantizado que la placa sea universal en la morfología sin dendrita. “Solo lo hace en soluciones electrolíticas seleccionadas donde no hay reacciones secundarias, la superficie metálica activa está libre de pasivación y la eficiencia culombiana de la extracción de placas de magnesio está cerca de la unidad”, dijo.
Yao también es investigador principal del Centro de Superconductividad de Texas en UH (TcSUH).
Yanliang “Leonard” Liang, profesor asistente de investigación en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de UH y coautor, dijo que la revisión del documento de los materiales catódicos existentes también ofrece nuevas ideas. “También discutimos estrategias de diseño para permitir materiales de almacenamiento de energía genuinos multivalentes basados en iones metálicos con un rendimiento competitivo”, dijo.
Los puntos clave de los investigadores incluyen:
- Las preocupaciones sobre la disponibilidad y el costo del litio han despertado el interés en tecnologías alternativas de baterías que utilizan elementos más abundantes con el potencial de una mayor densidad de energía y una mayor seguridad. Los principales candidatos incluyen magnesio, calcio, zinc y aluminio, todos los cuales se conocen como metales multivalentes o metales con electrones de valencia múltiple para dar.
- Estas baterías de iones metálicos multivalentes comparten muchas similitudes en los principios de funcionamiento con las baterías de iones de litio, lo que sugiere que podrían ser rápidamente adoptadas por la industria.
- Las evaluaciones anteriores de la densidad de energía anticipada de estas baterías a menudo consideraban solo el ánodo de metal multivalente, simplemente uno de los dos electrodos en una batería, que tiende a llegar a conclusiones engañosas. Los investigadores han proporcionado una reevaluación de la densidad de energía basada tanto en el ánodo como en el cátodo, con el objetivo de posicionar mejor estas baterías en el paisaje de almacenamiento de energía.
- El uso directo de metales como ánodos es un aspecto importante para las promesas de seguridad y densidad de energía de estas baterías, pero existen incertidumbres en torno a la viabilidad de estos ánodos.
- Las soluciones electrolíticas y la comprensión de los fenómenos interfaciales asociados están mejorando pero aún lejos de establecerse.
- Y encontrar buenos materiales catódicos requiere consideraciones que son poco comunes en los estudios tradicionales de baterías. El mecanismo de almacenamiento de iones de los cátodos de baterías multivalentes es mucho más complicado que su contraparte de iones de litio. Como resultado, la interpretación errónea de la química del cátodo está sorprendentemente extendida en la literatura.
Los investigadores también emitieron una lista de recomendaciones para garantizar que la investigación futura se dirija directamente a mejorar las baterías, que incluye:
- Obtener una mejor comprensión del comportamiento de crecimiento de los ánodos metálicos, un paso crítico para cumplir las supuestas promesas de seguridad sobre las baterías de iones de litio.
- Prácticas para evaluar adecuadamente la compatibilidad de los ánodos metálicos con soluciones electrolíticas y la efectividad de los recubrimientos de protección.
- Procedimientos y técnicas para interpretar correctamente el mecanismo de almacenamiento de iones en el cátodo.
- Enfoques para diseñar mejores materiales catódicos.
Una tabla que compara los componentes de última generación (materiales de ánodo, electrolito y cátodo de metal) para baterías basadas en cada uno de los elementos metálicos multivalentes que podrían reemplazar potencialmente al litio encontró que, aunque algunos están más avanzados que otros, ninguna de las opciones Están listos para su comercialización.
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